NUCLEUL CELULAR

ULTRASTRUCTURA ȘI ORGANIZAREA BIOCHIMICĂ A CELULEI EUCARIOTE

În lucrarea practică de azi vom învăța

• Despre structura și ultrastructura nucleului

• Despre compoziția biochimică a nucleului

• Despre modificările suferite de nucleu pe parcursul etapelor vieții celulei

• Ce sunt ciclul celular și apoptoza

NUCLEUL

• Cel mai mare organit delimitat de endomembrană, prezent în toate celulele (cu unele excepții), cu rol în păstrarea ADN-ului și sinteza acizilor nucleici

• Regula generală: o celulă – un nucleu

• Excepții:

• Celule anucleate – hematiile, celulele fibre ale cristalinului, keratinocitele din stratul superficial al pielii

• Celule binucleate – hepatocitele, miocardocitele (celulele musculare striate cardiace), celulele umbeliforme din epiteliul căilor urinare

• Celule multinucleate – celulele musculare striate scheletice, osteoclastele

4

STUDIUL NUCLEULUI ÎN MICROSCOPIE MO – colorație HE MET

NUCLEUL – ASPECT LA MO

• Organit vizibil la MO

• Aspect bazofil (eucromatic = palid colorat, heterocromatic = intens colorat cu varianta extremă - tahicromatic)

• Formă variată

• Localizare centrală, dar poate fi și periferică

5

Tipuri de nuclei în diverse colorații în diverse celule

6

Nuclei heterocromatici in colorație HE Nuclei eucromatici în colorație Azan Nucleu bilobat în colorație May Grunvwald Giemsa

NUCLEUL – ULTRASTRUCTURĂ

• Înveliş nuclear

• Cromatină: eucromatină (electronotransparentă), heterocromatină (electronodensă)

• Matrice nucleară

• Nucleol

7

8

ULTRASTRUCTURA NUCLEULUI

heterocromatină

eucromatină

ÎNVELIŞUL NUCLEAR • dispare când celula se divide • format din:

• membrane nucleare internă şi externă • spaţiu perinuclear (cisternă perinucleară)

• Membranele nucleare sunt străbătute de pori mari, proteici, care realizează o cale de comunicare între nucleu și citoplasmă Pe fața internă, învelișul nuclear este susținut de o lamină nucleară formată din filamente

intermediare 9

• Membrana externă –

pe faţa citoplasmatică; se continuă cu membrana reticulului endoplasmatic

10

ÎNVELIŞUL NUCLEAR

• membrana internă - în raport cu lamina nucleară

11

© Pearson education, Inc. 2009

Filamente intermediare de lamine nucleare

12

PORUL NUCLEAR

© Pearson education, Inc. 2009

PORUL NUCLEAR • Zonă de comunicare între

nucleu şi citoplasmă, structurat în învelişul nuclear de proteine care traversează cele două membrane ca nişte coloane, solidarizate pe ambele feţe de inele proteice (formează un octogon de porine)

• Traficul prin por este ghidat cu ajutorul numeroaselor filamente proteice atașate

13 © Pearson education, Inc. 2009

Fibrile citoplasmatice

Inel citoplasmatic

Înveliș nuclear

Inel nuclear

Coșuleț nuclear

Inel distal

MATRICEA NUCLEARĂ

•Componentă fibrilogranulară care asigură ancorarea cromatinei, suport pentru transportori

14

NUCLEOLUL

•Organit nedelimitat de endomembrane, vizibil şi în MO şi în ME

•O celulă conţine mai mulţi nucleoli

•Heterogen, electronodens

•3 zone: • Centru fibrilar – cromatină care conţine gene ce codifică ARNr • Zona densă fibrilară – aici are loc transcrierea ADN la ARN • Regiunea granulară – conţine subunităţile ribozomale

• Funcţie: biogeneza subunităţilor ribozomale 15

NUCLEI EUCROMATICI CU NUCLEOLI VIZIBILI

16

CROMATINA

•Principalul constituent al nucleului – complex de ADN cu proteine histonice și non-histonice

17

CROMATINA

•Tipuri de cromatină: • eucromatina – palid colorată (MO), electronoclară (ME), deschisă pentru transcriere genică

• heterocromatină – intens colorată(MO) electronodensă (ME), împachetată strâns, împiedicând transcrierea genică • constitutivă – nu serveşte niciodată ca matrice pentru transcriere

(ex. la nivelul centromerului) • facultativă – condensată (ex. corpusculul Barr)

NUCLEUL – COMPOZIȚIE BIOCHIMICĂ

• Acizi nucleici

• ADN – în fibra de cromatină

• ARN – diverse tipuri

• Proteine (ex.)

• Structurale (în structura cromatinei și în matricea nucleară)

• Enzime

• Transportori

ADN

• ADN este un polimer de nucleotide

• Un nucleotid este format dintr-o pentoză (deoxiriboză), o bază azotată şi una sau mai multe grupări fosfat (mono-di-trinucleotide).

20

NUCLEUL– COMPOZIŢIE BIOCHIMICĂ

21 http://www.genomebc.ca

Nucleozid Adenozină = Timidina Guanozina ≡ Citidina

Baza azotată

Nucleozid

Nucleotid monofosfat

Nucleotid difosfat

Nucleotid trifosfat

Bazele azotate Adenina = Timina Guanina ≡ Citozina

FORMAREA MOLECULEI DE ADN DUBLU CATENARE

• O catenă se formează printr-o legătură de esterificare între gruparea fosfat a nucleotidei 1 şi pentoza nucleotidei 2

• Asocierea catenelor se face prin legături slabe de hidrogen între bazele azotate aflate faţă în faţă

• Stabilirea acestor legături de hidrogen sunt posibile, spaţial vorbind, doar între C şi G, respectiv A şi T

22

APLICAŢIE PRACTICĂ

• Legăturile slabe de hidrogen pot fi desfăcute (de ex: prin încălzire), separând catenele, dar fără să se altereze înşiruirea nucleotidelor pe o catenă

• Specificitatea legăturilor de hidrogen dintre bazele azotate ne permite reconstituirea artificială a moleculei de ADN pornind doar de la o catenă (matriţă, template) şi adăugând într-un amestec de reacţie cele 4 nucleotide (A,T,C,G)

23

ÎMPACHETAREA ADN - CROMATINA

• Cromatina – structură fibrilară formată din ADN asociat cu proteine histonice şi non-histonice

• Împachetarea ADN se realizează cu ajutorul proteinelor histonice:

• H2A, H2B, H3, H4 formează un miez proteic

pe care se înfăşoară lanţul de ADN

• Histona H1 de legătură între miezurile proteice

• Nucleozomul - unitatea structurală a cromatinei

24

www.shmoop.com/dna/‎

ÎMPACHETAREA FIBREI DE CROMATINĂ

25 www.shmoop.com/dna/‎

fiber

CROMOZOMUL

26

Cromatidă:

2 braţe: scurt (p) şi

lung (q)

Centromer

Cromozomii există în forma

supercondensată, formată din două

cromatide surori, doar în mitoză.

Între diviziuni, cromozomii sunt

formaţi dintr-o singură cromatidă

decondensată, cu zone de eu- şi

hetero-cromatină.

ARN

• O singură catenă de nucleotide formată din riboză şi baze azotate (Uracil în loc de Timină).

• Tipuri de ARN (după funcţie): • Mesager (ARNm) = codificant, codifică proteine

• Ribozomal (ARNr)

• Transport/transfer (ARNt)

ARNurile există atât în nucleu cât şi în citoplasmă

27

necodificant

ARN - BAZOFIL IN MO Plasmocit în MO Plasmocit în ME

www.columbia.edu

www.pathguy.

com

Modificările nucleului în funcție de etapa din viața celulei

• O celulă poate:

• - să se dividă în două celule-fiice, care pot fi identice (diviziune simetrică) sau diferite (diviziune asimetrică) (să parcurgă un ciclu celular complet)

• - să moară, în urma unor semnale interne sau externe. Moartea celulară codificată genetic se numește apoptoză.

Modificările nucleului în funcție de etapa din viața celulei

• Nucleul se modifică și el ca structură și ultrastructură, în funcție de evenimentul care decide soarta celulei • În diviziune învelișul nuclear se dezagregă, cromatina se

condensează și formează cromozomi

• În apoptoză, cromatina se condensează și intregul nucleu se micșorează (nucleu picnotic)

CICLUL CELULAR

• Ciclul celular este perioada din viața unei celule de la formare pană la finalul diviziunii celulare

• Are 2 etape: • Interfaza

• Diviziunea celulară (mitoză, meioză)

Interfază

CICLUL CELULAR - Interfaza

• Este o etapă în cadrul ciclului celular, alături de diviziunea celulară, de la formarea noii celule la inițierea diviziunii

• Este formată din trei faze: • G1 – fază de creștere și reorganizare

• G0 – fază de repaus, stagnare

• S – faza de dublare a ADNului, în vederea unei noi diviziuni

• G2 – fază de pregătire a diviziunii celulare

Interfază G1/G0

S

G2

Nucleul în interfază

Celule în cultură în MO – colorație Giemsa

Celule în cultură în imunofluorescență –

marcare DAPI

Nucleul în interfază

• Deși aspectul este același, cantitatea de ADN este dublă la sfârșitul etapei S și în etapa G2, care evoluează însă foarte repede către diviziune

http://cyberbridge.mcb.harvard.edu/mitosis_4.html

CICLUL CELULAR

• Celulele se pot opri din ciclul celular și intră în faza G0 – de repaus în absența semnaleleor extracelulare de diviziune; celulele aflate în G0 nu cresc în dimensiuni

• Oprirea în G0 poate fi:

• Finală – la celule diferențiate: neuroni, celule musculare striate scheletice

• Temporară: celule hepatice

CICLUL CELULAR –Diviziunea celulară

• Reprezintă procesul de formare a două celule fiice, pornind de la o celulă somatică (mitoză) sau de la precursori ai gameților (meioză)

• Primele modificări apar la nivelul nucleului

• Se încheie cu separarea citoplasmei și a organitelor (citokineză)

• Are 4 etape: • Profaza, Metafaza, Anafaza, Telofaza

Interfază

PROFAZA

•cromatina se condensează pentru a forma cromozomi •cromatidele surori sunt unite la nivelul centromerului •centrozomul se dublează; cei 2 centrozomi se deplasează către polii opuși ai celulei, formând între ei fusul de diviziune •dezorganizarea progresivă a nucleolului •dezorganizarea învelișului nuclear

Nucleu in profază

Nuclei în interfază

METAFAZA

• Fiecare cromatidă este atașată la microtubulii ce provin de la un centrozom

• Cromozomii se aliniază

în zona ecuatorială, formând placa metafazică

Cromozomi atasatipe placa metafazică

Nuclei în interfază

ANAFAZA

• cromatidele surori se separă și migrează la polii celulei

Cromozomi în anafază

TELOFAZA

• Cromozomii ajung la polii fusului de diviziune și se decondensează

• Dezorganizarea fusului de diviziune

• Reorganizarea anvelopei nucleare (în jurul celor 2 nuclei)

• Formarea inelului contractil în plan ecuatorial, perpendicular pe axul lung al fusului

https://micro.magnet.fsu.edu/cells/fluorescencemitosis/telophase1large.html

CITOKINEZA

• diviziunea

citoplasmei‎și‎

separarea

organitelor

între cele 2

celule fiice

http://www.micro.magnet.fsu.edu/cells/fluorescencemitosis/index.html http://cyberbridge.mcb.harvard.edu/mitosis_4.html

MEIOZA

- reduce numărul cromozomilor, astfel încât fiecare celulă fiică va avea un număr haploid de cromozomi (n)

- specifică celulelor sexuale - Roluri: 1. asigură numărul diploid de cromozomi în zigot 2. furnizează o combinație particulară de trăsături

descendenților

MEIOZA

- 2 etape: prima diviziune meiotică și a doua diviziune meiotică • înaintea primei diviziuni meiotice are loc replicarea ADN și dublarea numărului de cromatide • fiecare cromozom are 2 cromatide • prima diviziune meiotică separă cromozomii dintr-o pereche • înaintea celei de-a doua diviziuni meiotice nu există fază S

• a doua diviziune meiotică separă cromatidele surori ale fiecărui cromozom • celulele fiice rezultate conțin număr haploid de cromozomi

APOPTOZA

• În aproape orice moment al ciclului celular se poate declanșa moartea celulară programată – apoptoza.

• Celulele apoptotice pot fi identificate în MO pe baza aspectului picnotic al nucleului și fragmentării lui

CONCLUZII

• Nucleul este cel mai mare organit al celulei eucariote

• Biochimic este format din ADN, ARN şi proteine

• Aspect la MO: organit bazofil heterocromatic/eucromatic cu nucleol vizibil

• Aspect la ME : anvelopă nucleară, matrice nucleară, cromatină, nucleol

• Cromatina se află în diverse stadii de condensare, care modulează transcrierea genică

45